„Zwerge“ in den Griff bekommen – Automatisierungslösungen beim Mikrospritzgießen

Spritzgegossene Mikroformteile besitzen ein geringes Gewicht und eine im Verhältnis dazu große Oberfläche. Die dabei entstehenden Adhäsions- und elektrostatischen Kräfte führen oft zur Haftung der Teile an den Werkzeugoberflächen, was wiederum ein sichers Fallenlassen während der Entformung verhindert. Das Fallenlassen kann bei Mikroformteilen zudem die empfindlichen Funktionsoberflächen beschädigen oder verunreinigen. Bedingt durch das schwierige Handling sollten auch nachfolgende Bearbeitungsschritte bei der Mikrospritzgießproduktion berücksichtigt werden. Eine manuelle Handhabung der Teile ist wegen der geringen Abmessungen und empfindlichen Oberflächen, sowie bei höheren Stückzahlen nicht mehr möglich.

Das Fertigungsumfeld des Mikrospritzgießens erstreckt sich über unterschiedlichste Aufgaben, angefangen von der Positionierung eines Einlegeteiles im Werkzeug über den eigentlichen Spritzgießvorgang, Teileentnahme und Ablage bis hin zur Montage der frisch gespritzten Formteile mit extern zugeführten Komponenten. An verschiedenen Etappen der Fertigungskette kann zudem eine qualitätssichernde Maßnahme notwendig sein. Das breite Stückzahlspektrum bei Mikroformteilen verlangt jedoch nach skalierbaren Automatisierungslösungen.

Angeschlossene Montagezelle mit Rundtakttisch an Mikrospritzgießmaschine

In das Anlagenkonzept einer Spritzgießmaschine lassen sich solche Automatisierungsschritte gut integrieren, die ähnliche Taktzeiten wie der Spritzgießprozess aufweisen. Dagegen werden schnelle Produktionsschritte (wie z. B. manche Etikettierverfahren einerseits oder langsame Montage-Prozesse andererseits) entkoppelt. Bei aufwendigen Qualitätsprüfungen muss auf eine 100-Prozent-Prüfung verzichtet werden. Charakteristisch für das Mikrospritzgießen ist die kurze Zykluszeit, die aus der geringen Wanddicke der Formteile resultiert. Die Taktzeiten der angebundnen Automatisierungsschritte muss deshalb verkürzt werden.

Die „formica PLAST“ ist eine Mikrospritzgießmaschine, welche für die Herstellung von Mikroformteilen mit sehr kleinen Schussgewichten in hoher Präzision entwickelt wurde. In der breiten Palette der gefertigten Teile finden sich Teile ab 0,3 mm³ Formteil- und 9 mm³ Schussvolumen. Die Maschine wird u. a. für die Fertigung von mikrooptischen Bauteilen, Mikrozahnrädern und für Bauteile der Mikroelektronik und Biotechnologie eingesetzt. Beispielhaft werden für diese Maschinentechnik entwickelte Automatisierungslösungen im Nachgang kurz beschrieben.

Entnahme und Palettierung

Die Entnahme kann mit bekannten Entnahmekinetiken erfolgen. Für die „formica PLAST“ werden bisher kleine Ausführungen von Linear-, Scara- und Knickarmrobotern verwendet. Die Scara-Variante erweist sich als platzsparende und flexible Lösung für die Entnahme mit anschließender Palettierung oder Ablage auf einer Übergabestation.

Entnahme mit unter der Haube platzierten Scara-Roboter und Pallettierung der Formteile

Fertigungszelle für die Optikfertigung

Die Fertigungszelle wurde mit dem Ziel aufgebaut, die Ausschussquote in der Mikrooptikfertigung deutlich zu senken. Die Etappen dazu sind neben der Vermeidung von Schmelzeverunreinigungen bei der Plastifizierung, die Schaffung einer Umgebung mit gefilterter Luft, Vermeidung von Kontaminationen durch Verzicht auf menschliche Handgriffe im Produktionsprozess, sowie die Installation einer 100-%-Online-Prüfung zur Aussortierung der Schlechtteile und als Unterstützung bei der Maschineneinstellstrategie. Die Automatisierungslösung beinhaltet die lagegerechte Entnahme der Formteile aus dem Spritzgießwerkzeug mittels des Handlingsystems und die Zufuhr an einen Prüfplatz, an dem über ein Bildverarbeitungssystem kleinste Verunreinigungen erkannt werden können. Abschließend werden die Gutteile in Trays einsortiert und die Schlechtteile verworfen. Das Handling der Formteile wird dabei von einem 5-achs-Linearhandling übernommen.

Mehrkomponententechniken werden heutzutage als Montage-Spritzguss interpretiert. Diese Sichtweise verdeutlicht die Bedeutung des Mehrkomponentenspritzgießens im Mikrobereich: Die komplexe Handhabung entfällt und durch präzise Werkzeugtechnik sind ehr gute Fügetoleranzen möglich. Dieser Vorteil wurde in einer Fertigungszelle zur Herstellung von mikrooptischen Baugruppen incl. Montagestationen genutzt. Die Montagezelle ist nach der Übernahme der Teile vom Spritzgießprozess in Vorbearbeitungs-, Montage- und Nachbearbeitungsmodul gegliedert. Im Hinblick auf eine sehr hohe Modularität der Anlage wurde für die Übergabe der Teile von der Spitzgießmaschine zur Montagezelle ein Standard erarbeitet. Der Teileverbund wird bei freier Nestanzahl und -gestaltung an einem einheitlich ausgeführten Anguss lageorientiert derart übergeben, dass nachfolgende Aufgaben wie z. B. Angusstrennung, Zwischenkontrolle und Montage jeweils in ihrer Vorzugslage ausgeführt werden können.

Rechts: Werkzeugraum der 2K-Maschine mit Scara-Entnahmeroboter; Links: Montagezelle mit Rundtakttisch und Stationen zur Prüfung, Angusstrennung und Endmontage

Fertigungszelle für hybride Mikroteile

Die Herstellung hybrider Bauteile als reine Kunststoff-Verbundteile oder in der Kombination von Kunststoffen mit anderen Werkstoffen (Metalle, Gläser und anderen) im Spritzgießprozess ist in der Kunststoffverarbeitung seit langem etabliert und findet eine immer weitere Verbreitung auch in der Mikrofertigung. Am KuZ befindet sich zur Zeit eine Fertigungszelle mit vertikaler Maschinenausführung der „formica PLAST“ und einem Einlege- und Entnahmehandling mittels 6-achs-Knickarmroboter im Aufbau. Durch eine zusätzliche Drehachse am Kopf des Knickarmroboters ist das Entnehmen des Formteiles und das Einlegen des metallischen Einlegers mit einer Einfahrt in das geöffnete Spritzgießwerkzeug möglich. Ein weiteres Werkzeugkonzept mit einer Drehtellerausführung des Werkzeugtisches lässt eine Bestückung und Entnahme während des Spritzgießzyklus zu.

Vertikale Fertigungszelle zur Herstellung von hybriden Mikroteilen mit 6-achs-Knickarmroboter und Demonstrationsformteil mit metallischem Einleger

Die beschriebenen Lösungen zeigen die Möglichkeiten der Automatisierung des Fertigungsprozesses beim Mikrospritzgießen im KuZ auf. Der modulare Aufbau der Maschinentechnik und der Handlingsysteme ermöglicht dabei eine schnelle Anpassung an neue Fertigungsprozesse bei Formteilwechsel, selbst bei mittleren bis kleinen Stückzahlen.